Analisis Optimasi Daya Generator Turbin Angin Skala Kecil Dengan Metode Penulusuran Titik Daya Maksimum Untuk Aplikasi Pengisian Baterai

Analisis Optimasi Daya Generator Turbin Angin Skala Kecil

Dengan Metode Penulusuran Titik Daya Maksimum Untuk

Aplikasi Pengisian Baterai

Iwa Kartiwa/13204143

Sekolah Teknik Elektro dan Informatika, Institut Teknologi Bandung Jalan Ganesha 10 Bandung

iwacar_104@yahoo.com

Abstrak-Generator turbin angin skala kecil biasanya menggunakan generator sinkron magnet permanen (PMSG) dan sebuah penyearah jembatan untuk aplikasi pengisian baterai. Dengan skematik sederhana ini turbin angin tidak beroperasi pada daya elektrik maksimumnya pada semua kondisi operasi. Pada makalah tugas akhir ini diusulkan sebuah sistem untuk sistem konversi energi angin yang memiliki karakteristik penelusuran titik daya maksimum. Sistem yang diusulkan disimulasikan menggunakan perangkat lunak PSIM dengan model turbin angin dinamis.

Kata kunci: Generator turbin angin skala kecil, penelusuran titik daya maksimum

I. PENDAHULUAN

EKNOLOGI pembangkit listrik tenaga angin pada dua dekade ini berkembang sangat pesat. Selain alasan ekonomis juga karena teknologi ini bebas dari pencemaran lingkungan. Energi listrik yang dihasilkan oleh turbin angin memiliki banyak manfaat namun agar dapat dimanfaatkan pada banyak aplikasi dan sesuai secara ekonomis maka proses pembangkitan listrik sistem ini sendiri harus andal. Sistem ini harus memiliki efisiensi tinggi dengan biaya yang lebih rendah dibandingkan pembangkit alternatif lain yang ada saat ini.

Pembangkit listrik tenaga angin skala kecil mempunyai peranan penting terutama bagi daerah-daerah yang belum terjangkau oleh jaringan listrik. Sehingga untuk saat ini peranan penting dari pembangkit listrik tenaga angin skala kecil adalah sistem terpisah yang mampu untuk menyediakan listrik bagi daerah terpencil[1].

Energi angin memiliki karakteristik yang berubah-ubah sehingga diperlukan sistem pembangkit cadangan atau sistem penyimpan energi. Pembangkit cadangan dan penyimpan energi ini kita sebut sebagai cadangan baterai. Pada sistem ini, ketika kebutuhan daya beban lebih kecil dibandingkan daya yang diproduksi oleh generator turbin angin maka kelebihan energinya digunakan untuk mengisi cadangan baterai. Pengalaman lapangan menunjukkan bahwa keluaran daya puncak dan pengambilan energi total dari pembangkit listrik tenaga angin skala kecil dengan kecepatan tak tentu pada aplikasi pengisian baterai

tergantung pada ukuran rotor, kelas generator, dan konfigurasi sistem.

II. SISTEMKONVERSIENERGIANGIN

Konversi energi dari kecepatan angin ke daya

mekanik ( ) dan produksi torka ( ) dapat

digambarkan melalui persamaan berikut:

m P T_m 2 3 1 2 m p P = C ρπR v 3 2 1 2 m T T = C ρπR v = koefisien daya p C T C = koefisien torka = kerapatan udara (kg/m3) ρ

= area sapuan rotor turbin angin (m2)

2

A=πR

v = kecepatan angin (m/s)

Koefisien daya merupakan perbandingan antara daya mekanik pada shaft turbin terhadap daya yang terdapat pada angin itu sendiri. Beberapa faktor yang

mempengaruhi nilai Cp antara lain adalah jumlah

baling-baling, bagian airfoil, permukaan baling-baling (bentuk dan sudut). Ketika kecepatan angin berubah

maka kecepatan rotasi ωm harus mencapai nilai

p

C terbaik. Hal ini berarti ωm dan harus digabung

dalam sebuah parameter sebelum sebuah kurva dapat kita gambarkan. Variabel ini merupakan perbandingan antara

v

m

Rω terhadap kecepatan angin dan kita sebut

sebagai perbandingan kecepatan ujung

v

λ (tip speed ratio (TSR))[2]. m R v ω λ= Hubungan antara

T

p

C , CT , dan λ untuk jenis

generator turbin angin yang berbeda diperlihatkan pada gambar 1.

Gambar 1. Kurva perbandingan antara C_p, C_T, dan λ untuk berbagai jenis turbin angin

Dari persamaaan diatas kita dapat lihat bahwa Cp

dan merupakan fungsi dari perbandingan kecepatan

shaft terhadap kecepatan angin yang kita sebut sebagai perbandingan kecepatan ujung. Sedangkan hubungan antara koefisien daya dan torka dapat kita tulis sebagai

T C

T p

C =C λ Dari gambar 1 jelas bahwa terdapat satu

titik dimana nilai koefisien daya mencapai harga maksimum.

Pada, sistem operasi kecepatan tetap maka kecepatan

turbin ωm dijaga tetap. Sehingga karena kecepatan

anginnya berubah-ubah, maka perbandingan kecepatan ujung dan koefisien dayanya pun akan ikut berubah. Karena karakteristik C_p yang hanya memiliki satu nilai maksimum pada nilai tertentu maka koefisien daya ini hanya akan bernilai maksimum pada satu nilai kecepatan angin[3].

Berbeda dengan operasi pada kecepatan tetap, pada sistem operasi kecepatan tak tetap sistem dapat menyesuaikan perubahan kecepatan angin terhadap kecepatan turbin sehingga sistem akan selalu bekerja

pada titik puncak Cp. Hal ini dapat memaksimalkan

pembangkitan daya untuk setiap nilai kecepatan angin yang berbeda. Pada gambar terlihat kurva dari pembangkitan daya pada setiap nilai kecepatan angin. Kurva yang menghubungkan setiap nilai puncak pembangkitan daya pada nilai kecepatan angin yang berbeda adalah sistem operasi C_p maksimum[4].

Untuk mendapatkan daya puncak maka rotor harus dijaga pada TSR optimal, yang berarti kecepatan angular rotor harus berubah-ubah secara proporsional terhadap kecepatan angin. Karena kecepatan angular rotor

tergantung pada frekuensi generator maka pada TSR

optimal daya rotor maksimum yang tersedia bervariasi sesuai dengan frekuensi generator.

Pembangkit listrik tenaga angin skala kecil untuk aplikasi pengisian baterai biasanya menggunakan generator sinkron magnet permanen dan jembatan penuh seperti terlihat pada gambar. Daya yang dialirkan dari generator ke cadangan baterai sebagai fungsi dari frekuensi generator dapat kita hitung dengan

menggunakan sirkit ekivalen. Konfigurasi konvesional ini membuat kondisi tegangan pada terminal generator yang terhubung ke cadangan baterai menjadi tetap untuk nilai kecepatan angin tertentu. Sebagai konsekuensinya, maka turbin angin tidak bekerja secara maksimum dalam mengumpulkan daya listrik yang dihasilkan pada semua kondisi operasi. Karakteristik beban elektrik dari generator turbin angin harus kita modifikasi sehingga pembangkitan daya bisa optimal. Tegangan pada terminal generator tidak diperbolehkan tetap tetapi harus berubah-ubah sesuai dengan kecepatan angular rotor.

Pada sistem konvesional tidak terdapat pengontrol aktif yang digunakan untuk menyesuaikan energi yang diproduksi oleh turbin angin. Oleh karena itu daya yang mengalir ke baterai tergantung dari kecepatan angin dan interaksi pasif dari beberapa komponen sistem.

III. OPTIMASIDAYAMENGGUNAKAN

METODEPENELUSURANTITIKDAYA

MAKSIMUM

Karakteristik turbin angin biasanya diperlihatkan dengan menggunakan kurva koefisien daya dan rasio antara kecepatan linear dari ujung baling-baling terhadap kecepatan angin. Kurva tipikal diperlihatkan pada gambar 2, agar sistem memproduksi daya

maksimum maka pada setiap saat diharapkan nilai C_P

selalu tinggi. Pada aplikasi frekuensi tetap, seperti pada turbin angin yang besar, kecepatan rotor pada generator akan selalu tetap walaupun kecepatan angin selalu berubah-ubah. Oleh karena itu nilai tip-speed ratio akan selalu berubah-ubah dalam jangkauan yang cukup besar[6]. m m m p P =T ω=T n w m g d T T J dt ω − = m g d P P J dt ω ω − =

Dari persamaan daya yang dihasilkan turbin angin, jelas bahwa daya yang diproduksi dapat dimaksimalkan

dengan mengoperasikan sistem pada nilai CP

maksimal. Oleh karena itu kita perlu untuk menjaga agar nilai kecepatan rotor berada pada TSR konstan.

B=0 Cp max 0.47977954 B=5 B=10 B=15 B=20 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 TSR Cp

Gambar 2. Kurva koefisien daya terhadap tip speed ratio.

Ketika kecepatan angin berubah maka kecepatan rotor harus dapat disesuaikan dengan perubahan tersebut. Kesulitan yang dihadapi adalah untuk mengukur kecepatan angin pada rotor itu sendiri. Untuk

menghindari menggunakan kecepatan angin dalam menghitung daya yang diproduksi maka kita bisa mengubah persamaan tersebut dengan mengganti kecepatan angin dengan jari-jari, tip-speed ratio, dan kecepatan sudut rotor.

v = 5m /s v = 7m /s v = 9m /s 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 kecepatan angular rotor (rad/s)

d a ya m ek an ik (W )

Gambar 3. Kurva daya mekanik angin terhadap kecepatan angular rotor.

Ilustrasi daya mekanis yang dibangkitkan oleh turbin angin sebagai fungsi dari rpm untuk beberapa nilai kecepatan diperlihatkan gambar 3. Daya maksimum yang diharapkan sebagai fungsi rpm diperlihatkan oleh garis yang memotong seluruh kurva. Jelas bahwa pada setiap kecepatan angin tertentu ada nilai kecepatan rotor tertentu yang akan menghasilkan daya maksimum. Jika pengontrol berhasil mengikuti perubahan kecepatan angin maka turbin angin dapat membangkitkan daya maksimum pada setiap nilai kecepatan. Nilai torka yang diharapkan dapat diturunkan dari persamaan daya yang dibangkitkan. 2 arg arg t et w t et T =K ω 3 arg arg arg 0, 5 w t et P t et t et R K ρAC λ ⎛ ⎞ = _⎜⎜ ⎝ ⎠⎟⎟

Dalam sistem tak terkompensasi torka generator tergantung kepada fluks, induktansi sinkron, dan sudut daya. Maka kapabilitas torka dibatasi oleh karakteristik dari mesin sinkron. Salah satu cara mengubah sudut

torka untuk nilai tegangan terminal yang tetap

adalah dengan menyesuaikan rpm dari generator.

Sehingga tanpa kompensasi karakteristik pembangkit listrik tenaga angin tergantung kepada karakteristik turbin angin dan generator. Di lain pihak operasi turbin angin dapat dioptimasikan dengan mengubah karakteristik beban yang dipasang pada generator. Untuk mengubah beban generator, maka kita harus mengontrol

S V

S o

V ω yang terletak pada terminal

generator. Maka sudut daya , daya, dan arus stator akan mengikuti dengan sendirinya.

Gambar 4. Konfigurasi sistem konversi energi angin yang diusulkan.

S o

V ω terminal bisa dikontrol dengan menyesuaikan

tegangan bus DC. Untuk mendapatkan daya yang

diinginkan, tegangan terminal (misalnya, tegangan

bus DC) harus diubah selama kecepatan rotor berubah. Untuk pengaturan tegangan satu bus DC maka bisa terdapat dua, satu atau tidak ada sama sekali titik persilangan antara daya generator dan daya yang diinginkan. Sebagai contoh, untuk tegangan bus DC tertentu maka terdapat dua titik operasi yang memenuhi daya yang diinginkan. Titik yang satu berhubungan dengan operasi daya rendah pada frekuensi lebih rendah, sudut

S V

δ lebih rendah, VS ωo terminal lebih

tinggi dan arus stator lebih rendah. Titik yang lain berhubungan dengan operasi daya tinggi pada frekuensi lebih tinggi, sudut δ lebih tinggi, V_S ω_o terminal lebih rendah, dan arus stator lebih tinggi. Solusi yang dibahas di bawah ini merupakan salah satu dari algoritma kontrol lain yang telah ada dan yang bisa diimplementasikan. Pengontrol dapat disesuaikan

sehingga operasi generator akan berada pada sudut δ

yang rendah selama nilai tegangan terminal stator

berubah-ubah. Dengan nilai sudut δ yang rendah maka

generator akan selalu beroperasi pada arus stator minimum untuk mencapai torka keluaran yang sama. Sehingga rugi-rugi tembaga pada lilitan stator dapat diminimisasi. Sangat jelas bahwa ketika frekuensi bertambah maka sudut daya bertambah sampai torka maksimum tercapai pada sudut daya sekitar 45°. Pada saat itu akan menjadi hal yang paling baik untuk menjaga torka pada nilai maksimumnya selama frekuensi bertambah. DC-DC converter bisa disisipkan di antara keluaran penyearah dan baterai DC.

Nilai dari dikontrol berdasarkan frekuensi atau

. Pada daerah C tetap, tegangan bus DC memiliki nilai non linear berubah-ubah dan dijaga tetap pada daerah bus DC tetap dan terakhir secara linear berubah-ubah pada daerah torka tetap. Walaupun banyak cara untuk mengimplementasikan konsep yang telah dijelaskan, salah satu cara yang mungkin adalah dengan mengontrol siklus kerja konverter DC berkaitan

dengan terukur. Hal ini bisa diselesaikan dengan

cara pemberian maju dimana akan berhasil jika baterai DC relatif tetap. Hal ini bisa juga diselesaikan dengan menyediakan feedback tegangan bus DC. Penyimpangan (galat) antara tegangan DC bus yang diminta dengan tegangan bus DC aktual dapat digunakan untuk mengontrol siklus kerja konverter DC.

S V rpm

Sangat jelas bahwa dengan mengubah karakteristik beban yang dipasang pada generator maka pembangkitan daya turbin angin dapat dioptimalkan. Beban pada generator diatur dengan mengontrol tegangan pada terminal generator. Dengan menambahkan konverter DC-DC antara luaran penyearah dan sisi DC baterai, maka tegangan bus DC yang terlihat oleh generator dapat kita ubah secara efektif dengan mengubah tegangan terminal generator. Konverter mengubah-ubah tegangan pada sisi masukan (luaran penyearah) sehingga dapat menyebabkan daya disalurkan maksimum dari generator ke cadangan baterai. Konverter mampu menaikkan ataupun menurunkan tegangan masukan. Oleh karena itu penambahan energi yang diambil bisa pada kondisi kecepatan angin rendah ataupun tinggi. Dengan menambahkan metode penelusuran titik daya pada sistem turbin angin skala kecil yang dihubungkan pada bus DC atau cadangan baterai maka daya luaran efektif sistem tidak lagi dibatasi oleh komponen elektrik[8].

Algoritma penelusuran titik daya maksimum yang biasanya digunakan pada panel surya bias kita gunakan untuk memaksimalkan daya luaran turbin angin. Gambar dibawah memperlihatkan karakteristik Daya dan torka terhadap kecepatan turbin angin yang perlu dikontrol. Tujuan utama algoritma ini adalah untuk menjaga agar titik operasi selalu berada pada untuk setiap nilai kecepatan angin. Titik operasi bisa berada pada daerah kemiringan positif (sebelah kiri titik

maksimum ), kemiringan nol (titik

ditemukan), dan kemiringan negatif (sebelah kanan ). Jika titik operasi berada pada daerah kemiringan positif maka pengontrol harus memindahkan titik operasi ke kanan mendekati titik maksimum pada titik kemiringan nol. Dan sebaliknya jika titik operasi berada di daerah kemiringan negative maka pengontrol harus memindahkan titik operasi ke sebelah kiri mendekati titik maksimum pada titik kemiringan nol. Gambar dibawah memperlihatkan algoritma penelusuran titik daya maksimum yang diusulkan, dimana informasi mengenai kecepatan angin tidak diperlukan

max P max P max P max P [9].

Gambar 5. Dasar algoritma penelusuran titik daya maksimum.

Untuk mencari titik operasi daya angin maksimum dan mencari titik ini dalam rangka untuk mengurangi galat antara daya operasi dan dan daya maksimum pada saat perubahan kecepatan angin, maka kontrol converter buck-boost akan mengubah-ubah secara periodik titik operasi turbin angin. Dengan memperoleh tegangan dan

arus luaran PMSG, pengontrol menggunakan informasi ini untuk menaikkan atau menurunkan siklus kerja converter buck-boost untuk mengubah titik operasi turbin angin. Setelah terjadi gangguan (perubahan kecepatan) maka akan timbul pemindahan titik operasi dari

(

k−1

)

ke

( )

k . Empat kasus gangguan pada titik operasi dibedakan menjadi:

Jika P k

( )

>P k

(

−1

)

dan , daya

bertambah setelah muncul gangguan. Hal ini mengindikasikan bahwa penelusuran titik daya maksimum sudah berada pada arah yang benar. Sehingga penelusuran titik daya maksimum dilanjutkan pada arah yang sama dan mencapai titik operasi

( )

(

1

)

m k m k

ω >ω −

(

k+1

)

dengan meningkatkan siklus kerja sebesar Δd.

Jika P k

( )

<P k

(

−1

)

dan , daya

berkurang setelah muncul gangguan. Hal ini mengindikasikan bahwa penelusuran titik daya maksimum tidak berada pada arah yang benar. Sehingga penelusuran titik daya maksimum harus mengubah arah

dan mencapai titik operasi

(

( )

(

1

)

m k m k ω <ω −

)

1 k+ dengan

meningkatkan siklus kerja sebesar dua kali Δd.

Jika P k

( )

>P k

(

−1

)

dan , daya

bertambah setelah muncul gangguan. Hal ini mengindikasikan bahwa penelusuran titik daya maksimum sudah berada pada arah yang benar. Sehingga penelusuran titik daya maksimum dilanjutkan pada arah yang sama dan mencapai titik operasi

( )

(

1

)

m k m k

ω <ω −

(

k+1

)

dengan menurunkankan siklus kerja sebesar Δd.

Jika P k

( )

<P k

(

−1

)

dan , daya

berkurang setelah muncul gangguan. Hal ini mengindikasikan bahwa penelusuran titik daya maksimum tidak berada pada arah yang benar. Sehingga penelusuran titik daya maksimum harus mengubah arah dan mencapai titik operasi

(

( )

(

1

)

m k m k ω >ω −

)

1 k+ dengan menurunkan

Gambar 6. Algoritma penelusuran titik daya maksimum.

IV. SIMULASI DAN ANALISIS

Karakteristik turbin angin diberikan di bab 2 pada laporan ini. Persamaan yang dibahas digunakan untuk memodelkan turbin angin pada PSIM seperti terlihat pada gambar di bawah,

Gambar 7. Model turbin angin.

Parameter masukan pada model turbin angin adalah kecepatan angin dalam meter per sekon. Luaran dari model adalah torka mekanik dan kecepatan agular mekanik rotor. Radius baling-baling adalah 1,25 m seperti yang diberikan pada spesifikasi turbin. Koefisien daya dan tip speed ratio dibuat sesuai dengan yang tertera pada look-up table pada PSIM schematic editor.

Untuk sistem konversi energi angin, daya luaran maksimum dapat dicapai untuk nilai kecepatan angin yang berbeda-beda. Oleh karena itu bagian pertama dari simulasi ini akan berkonsentrasi untuk mencari daya luaran maksimum untuk tiap nilai kecepatan angin. Resistor luaran diubah secara manual dan hasilnya akan mengubah nilai tegangan dan arus luaran. Berdasarkan

karakteristik λ, grafik daya yang diprediksikan akan

meningkat proporsional terhadap nilai resistor sampai mencapai titik daya maksimum. Kemudian setelah itu akan berkurang jika nilai resistor bertambah setelah melewati titik daya maksimum.

Gambar 8. Model simulasi penelusuran titik daya maksimum menggunakan PSIM.

Gambar diatas memperlihatkan model simulasi yang dilakukan untuk mendapatkan daya maksimum dengan mengubah-ubah nilai resistansi beban. Simulasi dilakukan untuk nilai kecepatan angin dari 4 m/s sampai 9 m/s. Tegangan beban dan arus beban didata dan daya maksimum dihitung dengan mengalikan kedua nilai tersebut. Nilai resistansi yang digunakan pada setiap simulasi juga dicatat. Tabel dibawah memperlihatkan nilai resistor yang digunakan dan titik daya maksimum untuk setiap nilai kecepatan angin.

Tabel 1.Titik daya maksimum untuk setiap nilai kecepatan. Kecepatan angin (m/s) Resistansi Beban (Ohm) Arus Beban (A) Tegangan Beban (V) Luaran Daya DC (W) 4 13 0.80 6 10.478 8.498 5 13 1.57 1 20.417 32.266 6 13 2.69 5 35.033 95.014 7 13 4.22 5 54.927 233.64 9 8 13 6.18 8 80.448 501.42 6 9 13 8.58 1 111.55 8 964.44 4

Tabel ini digunakan untuk mencari daya maksimum untuk tiap nilai kecepatan. Sehingga dengan referensi ini maka kita dapat mengetahui daya maksimum untuk tiap nilai kecepatan angin tersebut.

Seperti yang terlihat pada tabel diatas, daya DC maksimum hampir mencapai 1 kW pada kecepatan angin 9 m/s. Walaupun demikian jangkauan nilai tegangan untuk kecepatan angin antara 4 m/s sampai 9 m/s hanya berkisar antara 10 volt sampai 120 volt. Salah satu kebutuhan pada proyek ini adalah untuk mendapatkan tegangan pada 48 volt DC pada luaran rangkaian buck-boost. Karena kecepatan angin sulit untuk diprediksikan dan rata-rata kecepatan angin berada pada 5-6 m/s, maka sulit untuk memenuhi kebutuhan ini.

Pada kecepatan angin rendah daya rotor yang tersedia tidak dapat digunakan karena karena tegangan generator berada di bawah tegangan cadangan baterai. Sedangkan pada kecepatan angin tinggi daya rotor yang tersedia melebihi tegangan cadangan baterai sehingga rugi-rugi tetap muncul. Perbedaan karakteristik rotor dan generator ini membuat turbin bekerja menjauhi saluran beban maksimumnya (turbin tidak bekerja pada koefisien daya maksimum). Sangat jelas bahwa pada sistem, daya yang akan mengalir ke cadangan baterai dibatasi oleh karakteristik elektrik. Jadi sangat jelas

bahwa dengan mengubah karakteristik beban yang dipasang pada generator maka pembangkitan daya turbin angin dapat dioptimalkan.

Pada sistem dengan penyearah tidak terkontrol dimana rotor turbin dipercepat atau diperlambat untuk menyeimbangkan daya luaran rotor dan daya masukan generator, kecepatan turbin dikontrol dengan menyesuaikan daya luaran generator turbin angin. Beban pada generator dikontrol dengan mengatur tegangan pada terminal generator. Kemudian dengan menambahkan konverter DC-DC antara luaran penyearah dan baterai DC, tegangan bus DC yang terlihat oleh generator bisa diubah secara efektif mengontrol tegangan terminal generator. Tegangan pada sisi masukan konverter berubah-ubah (pada luaran tetap) agar daya yang dialirkan dari generator ke cadangan baterai menjadi maksimum.

4m/s 5m/s 6m/s 7m/s 8m/s 9m/s Pmax 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

Kecepatan angular rotor (rad/s)

D a y a m e k a n ik ( W ) 4m/s 5m/s 6m/s 7m/s 8m/s 9m/s Pcmax 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

kecepatan angular rotor (rad/s)

d a y a elek tr ik ( W )

Gambar 9. Kurva daya mekanik (a) dan daya elektrik (b) sistem konversi energi angin dan kurva titik daya maksimum.

Pref 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 0 10 20 30 40 50 60 70

kecepatan angular rotor (rad/s)

Pr

e

f (

W

)

Gambar 10. Kurva titik maksimum daya elektrik sistem konversi energi angin satu fasa.

Gambar 11. Diagram kontrol algoritma penelusuran titik daya maksimum.

Sistem yang diusulkan disimulasikan menggunakan perangkat lunak PSIM dengan model turbin angin dinamis untuk mengevaluasi pengambilan daya maksimum. Sub circuit yang mengandung model dinamis dari turbin angin telah dijelaskan pada bagian sebelumnya, dimana sub circuit tersebut terdiri dari komponen elektrik dan blok lain yang tersedia sehingga dapat memodelkan karakteristik turbin angin. Algoritma pengambilan daya maksimum menggunakan zero-order hold (ZOH) dan blok diskrit untuk mewakili pengontrol diskrit seperti mikrokontroler[9].

Gambar 12. Skematik keseluruhan sistem konversi energi angin.

Perilaku dari pengambilan daya maksimum bisa dievaluasi dengan menggunakan step respon angin sistem generator turbin angin skala kecil. Turbin angin berada pada kondisi tunak dan kecepatan angin kita set pada 6 m/s, setelah 10 detik kecepatan angin tiba-tiba berubah menjadi 9 m/s. Gambar dibawah memperlihatkan respon step turbin angin dengan sistem yang diusulkan dimana bisa kita lihat grafik kecepatan angular rotor angin, torka rotor angin, torka elektromekanik, daya elektrik, daya referensi, dan daya terukur terhadap waktu. Perhatikan dan pada gambar dibawah, maka dapat kita simpulkan bahwa sistem ini mampu untuk mengontrol daya fasa PMSG. Pada kondisi tunak galat antara dan adalah nol, dan pada kondisi transisi pengontrol memberikan hasil respon yang memuaskan.

Gambar 13. Grafik respon pengontrol sistem konversi energi angin.

Gambar 14. Grafik perubahan kecepatan angular terhadap perubahan kecepatan angin.

Kedua gambar diatas memperlihatkan perubahan

nilai kecepatan angular ω_m terhadap perubahan nilai

kecepatan yang diberikan pada simulasi model turbin angin. Hal sesuai dengan karakteristik sistem konversi energi angin yang kita inginkan yaitu sistem dijaga pada

nilai C_P maksimum dengan menjaga nilai tip speed

ratio λ tetap untuk kecepatan angin tertentu.

Desain konverter buck boost sangat tergantung pada nilai efisiensinya. Rugi-rugi pada konverter buck-boost bisa diakibatkan oleh beberapa elemen termasuk resistansi lilitan, yang dimodelkan sebagai sumber rugi-rugi utama pada simulasi ini. Walaupun demikian, frekuensi penyakelaran bisa menimbulkan rugi-rugi yang lebih besar pada konverter buck-boost. Model penuh sistem konversi energi angin tanpa inverter dapat dilihat pada gambar dibawah ini.

Gambar 15. Skematik simulasi penentuan duty cycle untuk tiap nilai kecepatan angin.

Agar kita bisa mendapatkan tegangan luaran yang diinginkan setiap saat, maka siklus kerja harus berubah-ubah menyesuaikan dengan kondisi masukan. Tegangan maksimum untuk setiap kecepatan angin telah kita dapatkan pada bagian sebelumnya dan tegangan ini menjadi masukan pada terminal yang kita beri nama sebagai “boost operating voltage”. Sehingga pada kecepatan angin tertentu, tegangan DC pada ujung penyearah diukur dan dibandingkan terhadap nilai maksimumnya. Kemudian yang diperlukan adalah pengontrol PI yang berfungsi untuk mengubah-ubah nilai rasio kerja agar didapatkan tegangan maksimum karena siklus kerja dikontrol oleh loop PI.

Sesuai dengan kebutuhan pada desain dimana luaran dari buck boost harus bernilai 48 volt DC, maka model pengisian baterai dipasang pada sisi luaran konverter. Model pengisisan baterai akan memastikan luaran dari rangkaian buck boost bernilai 48 volt DC pada simulasi ini. Persamaan untuk menghitung efisiensi buck boost adalah sebagai berikut.

L

R pada simulasi ini adalah rugi-rugi tembaga

induktor oleh karena diletakkan disamping iduktor itu sendiri. Untuk keperluan simulasi RL diset bernilai 0,1

ohm dan nilai untuk tegangan luaran, arus luaran dan rasio kerja dicatat untuk setiap perubahan kecepatan angin. Hal ini ditunjukkan pada tabel dibawah ini.

Tabel 2. Nilai duty cycle untuk tiap nilai kecepatan angin.

Kecepatan

angin (m/s) Duty Cycle

Tegangan Luaran (V) 4 0.807 47.923 5 0.682 48.392 6 0.547 48.852 7 0.414 49.105 8 0.287 48.917 9 0.154 48.060

Dari tabel diatas kita bisa melihat bahwa siklus kerja pada kecepatan angin 4 sampai 6 m/s diatas 0.5, sedangkan untuk kecepatan angin antara 7 sampai 9 m/s dibawah 0.5. Hal ini memperlihatkan bahwa pada kondisi siklus kerja <0.5 buck boost bekerja untuk menaikkan tegangan sedangkan pada kondisi siklus kerja >0.5 buck boost bekerja untuk menurunkan tegangan. Tegangan nominal yang dimaksud adalah tegangan cadangan baterai 48 volt DC.

Gambar 16. Daya luaran turbin angin kecepatan rendah tanpa metode penelusuran titik daya maksimum

Gambar 17. Daya luaran turbin angin kecepatan rendah dengan metode penelusuran titik daya maksimum

Gambar 18. Daya luaran turbin angin kecepatan tinggi tanpa metode penelusuran titik daya maksimum

3. Rugi-rugi komponen sistem konversi energi angin.

Idealisasi-idealisasi pada tugas akhir mengabaikan beberapa sumber rugi-rugi yang dapat mengurangi efisiensi sistem. Dengan memasukkan semua komponen rugi-rugi diharapkan hasil analisis menjadi lebih mendekati nilai nyata.

Gambar 19. Daya luaran turbin angin kecepatan tinggi dengan metode penelusuran titik daya maksimum

V. KESIMPULAN

Penyelidikan kita pada sistem pengisian baterai memperlihatkan beberapa hal dapat kita lakukan untuk mengembangkan pengambilan energi oleh turbin angin.

1. Karakteristik sistem tidak terkompensasi ditentukan

oleh parameter generator. Karakteristik kecepatan-torka generator tidak dapat diubah tanpa kontrol aktif.

2. Sistem terkompensasi dengan konverter DC-DC

a. Turbin angin dapat beroperasi pada nilai Cp

maksimum (Cp target) pada setiap nilai rpm (tidak melebihi jangkauan operasi yang diizinkan)

b. Karakteristik torka memiliki puncak yang sama

dengan generator sistem tak terkompensasi. Meskipun demikian torka dapat dikontrol bebas dari kecepatan rotor dengan mengontrol tegangan terminal VS (siklus kerja konverter

DC-DC). Sekali puncak torka tercapai maka konverter bisa digunakan untuk menjaga torka agar tetap (pada nilai maksimum).

c. Sama seperti sistem tak terkompensasi, beban

yang dirasakan generator adalah beban unity

power factor.

3. Pengontrol digunakan untuk mendapatkan kondisi

operasi optimal dengan menjaga tegangan DC konstan

dengan mengontrol siklus kerja yang diberikan ke konverter.

VI. PENELITIANLANJUTAN

Beberapa hal yang belum tercakup dalam penelitian sistem konversi energi angin ini, yang diharapkan dapat memperbaiki kinerja sistem antara lain:

1. Analisis harmonisa sistem. Harmonisa merupakan salah

satu parameter penting dalam sistem penyedia daya, oleh karena itu pengurangan harmonisa pada sistem konversi energi angin bisa dijadikan analisis lanjutan tugas akhir ini.

2. Kompensasi sistem menggunakan kapasitor seri.

Kapasitor seri ini terhubung dengan terminal luaran generator, yang akan berfungsi sebagai pengurang daya reaktif. Analisis mengenai gabungan kompensasi menggunakan konverter DC-DC dan kapasitor seri bisa dijadikan sebagai referensi perbaikan sistem konversi energi angin.

DAFTAR PUSTAKA

[1] C. Dave, I.B. Gould, S. Drouilhet, V. Gevorgian, T. Jimenez, C. Newcomb, L.Flowers, ”Small Wind Turbine Testing and Applications Development”, NREL report No. NREL/CP-500-27067

[2] E. Ali M., “Modeling of Wind Turbine Driving Permanent Magnet Generator With Maximum Power Point Tracking System”, Elminia University, Egypt

[3] R. Mukand Patel, “Wind and Solar Power Systems”, CRC Press, 1999

[4] Tafticht T., K.Agbossou, A.Cheriti, “DC Bus Control of Variable Speed Wind Turbine Using a Buck Boost Converter”, IEEE, 2006

[5] N. Mohan, T.M. Undeland, W.P. Robbins, “Power Electronics Converter, Applications and Design”, 3rd ed. New York: Willey, 2003.

[6] Tafticht T., K.Agbossou, A.Cheriti, M.L. Doumbia, “Output Power Maximization of a Permanent Magnet Synchronous Generator Based Stand-alone Wind Turbine”, IEEE ISIE 2006, July9-12, 2006

[7] M. Eduard, S. Drouilhet, R. Holz, V. Gevorgian, “Analysis of Wind Power for Battery Charging”, Wind Energy Book VIII. New York: ASME, Vol. I: pp. 190-197; NREL report No. 21862

[8] De Broe A.M., S. Drouilhet, V. Gevorgian, “A Peak Power Tracker For Small Wind Turbines In Battery Charging Applications”, IEEE Trans. Ener. Con., Vol. 14, No. 4, December 1999

[9] Neammanee B., S. Chatratana, “Maximum Peak Power Tracking Control for The New Small Twisted H-Rotor Wind Turbine”

[10] Adegas F.D., J.A. Villar Ale, F.S. dos Reis, G.C. da Silva Simioni, R. Tonkoski, ”Maximum Power Point Tracker For Small Wind Turbines Including Harmonic Mitigation”, European Wind Energy Conference & Exhibition, 2006